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尺寸仅有巴掌大，重量比一张纸轻！北航研发新型静电飞行器
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尺寸仅有巴掌大，重量比一张纸轻！北航研发新型静电飞行器 来源： 北京日报客户端记者：何蕊2024-07-19 10:04 北京航空航天大学科研团队成功研制靠纯自然光供能实现起飞和持续飞行的静电飞行器，由一种新型静电电机作为发动机核心，未来将大幅增加微型飞行器的飞行时长，拓展其应用范围。相关成果近日在线发表于《自然》期刊上。 北航科研团队成功研制靠纯自然光供能实现起飞和持续飞行的静电飞行器 微型飞行器能够在狭小空间执行拍照、探测和运输等特种任务，但普遍存在飞行时间短的痛点问题，尤其当重量小于10克时，飞行时间一般不超过10分钟。这是因为目前微型飞行器的发动机驱动部件一般采用传统的电磁电机，而电磁电机在微型化后转速高、发热大，能量转化效率急剧下降，甚至降到10%以下。微型电磁电机效率下降后，如果采用供电方便的自然太阳光作为能量来源，受限于太阳能电池的面积，很难满足飞行需求。 为了解决上述难题，北航能源与动力工程学院教授漆明净和闫晓军领衔的团队从微型发动机的原理方面寻求突破，提出一种新的静电驱动方案，研制出了在微小尺寸下转速低、发热小、效率高的微型静电电机，并成功试飞静电飞行器。 在微型静电电机和超轻质高压电源的助力下，飞行器整机仅有巴掌大小，翼展20厘米，重量4.21克，比一张A4纸还轻。尺寸和重量分别是此前世界最小、最轻太阳能飞行器的10%和0.17%。 团队还提出一款翼展8毫米，质量9毫克的超微型静电飞行器，飞行功耗不到1毫瓦，展示了静电电机在飞行器进一步微型化中的巨大潜力。 在该成果之前，此领域的最高水平成果是哈佛大学2019年在《自然》发表的飞行器，但仍需采用人工光源才能实现持续飞行。而北航的此项成果仅依靠自然光即可实现持续飞行，可极大拓展此类飞行器的使用范围，在微型飞行器的发展进程中具有里程碑意义。 |
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我国科研团队成功研制出世界上最轻最小的纯自然光供能微型飞行器。这款太阳光驱动的超轻型微型飞行器CoulombFly重4.21克，比知了还要轻。 我国科学家研发的这款微型飞行器首次实现纯自然光供能下起飞的持续飞行。相关成果于近日在国际学术期刊《自然》（Nature）发表，并同时获得《自然》和《科学》(Science)官网的首页推荐。 阳光功能飞行测试。(00:26) 在本成果之前，微型飞行器领域的最高水平成果是哈佛大学2019年在Nature发表的Robobee飞行器，但仍需采用三倍太阳光的人工光源才能实现持续飞行，而本成果仅依靠自然光即可实现持续飞行，可极大拓展此类飞行器的使用范围，在微型飞行器的发展进程中具有里程碑意义。 微型飞行器（MAVS）因其小体积、轻质量、高机动等特点，能够在狭小空间执行拍照、探测和运输等特种任务，在国民经济领域拥有广泛应用前景。然而此类飞行器普遍存在飞行时间短的痛点问题，尤其当重量小于10克时，其飞行时间一般不超过10分钟。 续航痛点最主要是目前微型飞行器一般采用传统的电磁电机作为发动机的驱动部件，电磁电机在微型化后转速高、发热大，能量转化效率急剧下降，如果采用供电方便的自然太阳光作为能量来源，受限于太阳能电池的面积，很难满足飞行需求。 由北京航空航天大学漆明净和闫晓军领衔的科研团队研制的新型微型飞行器，解决了这一难题。 北航团队研发的超轻型微型飞行器主要由静电驱动推进系统（静电电机和螺旋桨）和超轻千伏动力系统（HVPC和太阳能电池）组成。 团队从微型发动机的原理方面寻求突破，提出一种新的静电驱动方案，研制在微小尺寸下转速低、发热小、效率高的微型静电电机。 静电发动机的核心是静电电机，它是一种依靠静子和转子间的库仑力（Coulomb force）来产生连续旋转运动的新型微型电机，具备结构简单和无需绕组的优势，其高电压（千伏级）、低电流（微安级）的工作特性也使其在工作过程中发热少且无明显红外特征。在小质量（5克以内）情况下，静电电机的能量转化效率可达传统电磁电机的10倍以上，产生相同升力所需功耗仅为电磁电机的1/10以内，相比传统电磁电机表现出颠覆式的效率和功耗特性。 静电电机的结构设计和效率特性。 静电电机仍需千伏级的高压电流来驱动，然而传统高压电源由于体积和重量过大，无法搭载在微型飞行器上。因此，团队还针对飞行应用场景，研制了千伏级超轻质高压电源，主要包括太阳能电池和升压电路两部分，其中升压电路可以在1.21克的重量下，将太阳能或锂电池输入的低压直流电，转换为4-9千伏的高压直流电，相比美国斯坦福大学研发的同类技术升压比提高了92%。这让高压电流在微小尺度下不再那么难以获取。 千伏级超轻质高压电源的构型与性能。 在微型静电电机和超轻质高压电源的助力下，CoulombFly的整机仅有巴掌大小（翼展20厘米），重量比一张A4纸还轻，尺寸和重量分别是此前世界最小、最轻太阳能飞行器的1/10和1/600。 现有太阳能飞行器参数对比和超微型静电飞行器构型。 更进一步，团队还提出一款翼展8毫米，质量9毫克的超微型静电飞行器，飞行功耗不到1毫瓦，展示了静电电机在飞行器进一步微型化中的巨大潜力。 |
2楼2024-07-22 16:48:11